2018/11/19

CAESES在涡轮冷却叶片的参数化造型应用

概述

目前的航空发动机及燃气轮机的涡轮部件中,由于来流温度远远超过叶片材料能够承受的范围,一般都需要在涡轮前几级叶片中添加冷却结构。


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气膜冷却的发动机涡轮叶片

如上图所示,常见的冷却结构包括叶片的内腔、肋板、扰流柱以及叶片表面的气膜孔等。冷却结构一般都较为复杂,且需要能够随着叶片形状的变化而变化,内部的腔室结构、肋板、扰流柱、孔的排布及几何形状等都有可能需要调整,手动处理较为麻烦。

我们在CAESES软件中构建了典型涡轮冷却结构的全参数化模型,使得整个模型能够随着叶片自身形状的变化而调整,并能够通过修改参数快速的调整叶片的内部冷却结构,从而可以有效的降低冷却叶片的设计周期。


建模方法:

1. 涡轮叶片模型

我们可以在CAESES中构建一个完整的叶片曲面,也可以将外部的叶片曲面截面数据,或三维曲面模型(IGES格式等)导入CAESES中,行成相应的叶片曲面。


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导入涡轮叶片

2. 参数设定

冷却叶片的参数变化主要体现在内腔、开孔、肋板等特征的形状、位置、数目等内容上;

叶片内腔曲面的造型,需要根据叶片曲面自动进行调整;

内腔中各式各样的小结构阵列分布在曲面上,这些结构需要重复生成;而CAESES强大的feature功能,能够将任意模型的建模过程封装起来,使得我们能够方便的阵列  某些类型的模型结构,也能在模型创建的过程中添加各种约束,以有效的规避有可能出现的错误;

冷却叶片开孔、开槽等小结构的定位必须和叶片曲面始终关联起来,避免叶片曲面改变之后导致的模型错误;

CAESES的surface曲面有U和V的方向区分,曲面上的每个位置都能以U、V方向比例位置的方式进行定位,所以内腔的小结构均可以此方式进行定位;                          

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CAESES曲面信息示意


3.创建辅助曲面

基于叶片曲面相对位置,定位尾缘出气孔位置辅助面;

创建叶片内部中弧面,用于协助定位内腔肋板、扰流柱等结构;


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叶片内壁面及中弧面


4. 创建竖向肋板

在中弧面的基础上创建与中弧面垂直的竖向肋板,以竖向肋板的曲面进行定位,创建圆柱阵列,并与肋板进行布尔运算,形成开孔结构;

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竖向肋板模型示意


5. 创建尾部挡块及分隔板

通过CAESES中使用feature功能封装的建模模块,在中弧面尾缘位置创建一系列挡块模型,挡块的个数、位置、形状都由参数控制,创建分隔板模型,其位置及形状由相应参数控制。

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部挡块及主肋板


6. 创建叶片榫头

在叶片榫头模型内部,创建分隔腔室,并与叶片内冷却通道模型连接。


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叶片榫头内流道


7.创建肋条模型

创建肋条模型,并定义其长度、倾角、个数等为参数。


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平面曲线控制空间肋条生成


8.创建扰流柱模型

通过feature定义的方式,在中弧面上创建出多组扰流柱,各组扰流柱可以设定不同的排布规律,通过参数的约束,限定各组扰流柱在叶片中的比例位置,设置各组扰流柱个数、直径等参数。


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扰流柱模型


9.创建顶部凹槽模型

提取叶顶的曲线,然后根据肋板所在的位置,确定定位点,在顶部凹槽辅助曲面上截取部分曲面,并采用光顺曲面进行连接和封闭。



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扰流柱模型


10.创建叶片开孔模型

通过圆柱模型与叶片进行布尔运算,生成气膜孔模型,孔的排数,各排叶片相对位置、孔个数及孔直径大小,都可以直接通过参数进行调整。


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叶片开孔模型


11.组合冷却叶片模型

将各冷却结构组合,生成最终的冷却叶片实体模型。


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布尔运算创建出冷却叶片模型



模型展示:

替换初始叶片曲面,生成不同的冷却叶片模型

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不同结构的冷却叶片模型


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冷却叶片全周显示



参数演示:


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